本發(fā)明屬于合金材料技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料及其制備方法。
背景技術(shù):
wc-co硬質(zhì)合金,是一種常見(jiàn)的、重要的硬質(zhì)合金種類(yg系列),廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)代刀具材料、耐磨、耐腐蝕和耐高溫材料領(lǐng)域,有現(xiàn)代工業(yè)的牙齒之稱。純wc材料很難燒結(jié)致密,即使燒結(jié)致密,燒結(jié)溫度也往往在2000℃以上,易于對(duì)設(shè)備造成損害,并且燒結(jié)后斷裂韌性只有~4mpa·m1/2。co作為wc燒結(jié)時(shí)的一種粘結(jié)相,對(duì)wc有非常好的潤(rùn)濕性,同時(shí)能使wc燒結(jié)溫度降低到~1400℃,燒結(jié)時(shí)co成為液相,大大增加wc顆粒擴(kuò)散速率,使燒結(jié)致密,燒結(jié)后碳化鎢復(fù)合材料通常斷裂韌性在~12mpa·m1/2。世界co資源的分布是極其不均衡的,剛果(金)、澳大利亞和古巴三國(guó)的co儲(chǔ)量之和就占據(jù)世界總儲(chǔ)量的68%。對(duì)中國(guó)的co原料的供應(yīng)也存在很多不穩(wěn)定因素。同時(shí)co作為一種粘結(jié)劑,降低了wc材料的硬度、耐腐蝕性和耐高溫性,限制了wc材料在某些極端服役環(huán)境下的應(yīng)用。因此,尋找一種常見(jiàn)的來(lái)源廣泛的非粘結(jié)相的材料來(lái)替代co,擺脫對(duì)國(guó)外的依賴,同時(shí)提高wc類硬質(zhì)合金的硬度和高溫性能就顯得非常重要。
氧化鋯在室溫下?tīng)顟B(tài)為單斜氧化鋯(m-zro2)。而常用的力學(xué)性能較好的為四方氧化鋯(t-zro2),正常情況下存在于高溫。故一般采用y2o3等作為穩(wěn)定劑,使四方氧化鋯在常溫下也得以保持。此種部分穩(wěn)定氧化鋯也常用于多種陶瓷材料的增韌。此外,氧化鋯也易于同基體材料形成固溶體,促進(jìn)界面結(jié)合。但是當(dāng)燒結(jié)后,仍然會(huì)有部分單斜氧化鋯出現(xiàn),同時(shí)隨著時(shí)間的推移也伴隨著四方氧化鋯向單斜氧化鋯的退化,造成材料力學(xué)性能的下降。
超細(xì)氮化硼多孔纖維,由于其多孔結(jié)構(gòu)(totalporevolume,0.566cm3/g)和高比表面積(0.515cm2/g)[jinglin,luluxu,yanghuangetal.ultrafineporousboronnitridenanofiberssynthesizedviaafreeze-dryingandpyrolysisprocessandtheiradsorptionproperties.rscadvances,2016,6,1253-1259],添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)小但能夠高效利用,易于在制備過(guò)程中同時(shí)與基體和第二相實(shí)現(xiàn)結(jié)合。目前采用氧化鋯增韌wc復(fù)合材料的研究尚未有報(bào)道。同時(shí),以超細(xì)氮化硼多孔纖維穩(wěn)定四方氧化鋯的方法也未見(jiàn)報(bào)道。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為了解決以上現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足之處,本發(fā)明的首要目的在于提供一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料。
本發(fā)明的另一目的在于提供上述氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料的制備方法。
本發(fā)明目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料,由87.85~93.99wt.%的wc,6.0~12.0wt.%的zro2(3y),0.01~0.15wt.%的超細(xì)氮化硼多孔纖維以及不可避免的微量雜質(zhì)組成。
上述氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料的制備方法,包括以下制備步驟:
(1)將wc粉體、超細(xì)氮化硼多孔纖維、氧化鋯粉體和有機(jī)溶劑置于球磨機(jī)中進(jìn)行濕式球磨,制得球磨漿料;
(2)將球磨漿料干燥除去溶劑后過(guò)篩,獲得顆粒尺寸≤300μm的復(fù)合粉末;
(3)將復(fù)合粉末置于模具中燒結(jié)固化成形,得到無(wú)粘結(jié)相的氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料。
優(yōu)選地,步驟(1)中所述的有機(jī)溶劑為乙醇。
優(yōu)選地,步驟(2)中所述的干燥是指干燥至溶劑殘余質(zhì)量≤1%。
優(yōu)選地,步驟(3)中所述的燒結(jié)是指采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行燒結(jié),具體燒結(jié)條件如下:
燒結(jié)電流類型為直流脈沖電流;
燒結(jié)壓力:30~50mpa;
燒結(jié)氣氛:低真空≤6pa;
升溫速率:50~300℃/min;
燒結(jié)溫度:1400~1500℃;
保溫時(shí)間:0min。
本發(fā)明的復(fù)合材料及制備方法具有如下優(yōu)點(diǎn)及有益效果:
(1)本發(fā)明在純wc中加入氧化鋯和超細(xì)氮化硼多孔纖維,超細(xì)氮化硼多孔纖維具有高比表面積和高孔隙密度,有助于在制備過(guò)程中更好的與wc基體和氧化鋯實(shí)現(xiàn)結(jié)合,對(duì)傳統(tǒng)的第二相增韌方式做出了重要改進(jìn);
(2)本發(fā)明采用粒徑較細(xì)的wc粉體和氧化鋯,并添加超細(xì)氮化硼多孔纖維制備了增韌wc復(fù)合材料;細(xì)小的wc晶粒、氧化鋯和的超細(xì)氮化硼多孔纖維的復(fù)合增韌機(jī)制在有助于提高基體材料韌性的同時(shí),保持基體材料本身的高硬度;
(3)本發(fā)明制備的wc復(fù)合材料是一種由氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌的不含有任何金屬粘結(jié)相的wc復(fù)合材料,它具有很高的硬度、耐磨性、抗氧化性能以及較好的韌性,適合作為刀具材料或者模具材料;
(4)本發(fā)明在氧化鋯增韌wc復(fù)合材料中添加超細(xì)氮化硼多孔纖維,超細(xì)氮化硼多孔纖維可穩(wěn)定四方氧化鋯,抑制了單斜氧化鋯出現(xiàn),有助于材料力學(xué)性能的提升和保持,與傳統(tǒng)添加的穩(wěn)定劑,例如稀土氧化物等不同。
附圖說(shuō)明
圖1為實(shí)施例1所得氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料的xrd譜圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述,但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。
實(shí)施例1
本實(shí)施例的一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料,通過(guò)如下方法制備:
(1)將91.95gwc(0.2μm,純度>99.9%,徐州捷創(chuàng)新材料科技有限公司),8.0gzro2(0.1μm,3mol.%y2o3-穩(wěn)定四方晶zro2,純度>99.9%,上海超威納米科技有限公司),0.05g超細(xì)氮化硼多孔纖維(外徑20-60nm,河北工業(yè)大學(xué)氮化硼材料研究中心),倒入250ml硬質(zhì)合金罐中,再加入乙醇作為溶劑(所得混合漿料的體積不超過(guò)球磨罐容積的2/3),得到混合漿料;將裝有混合漿料的球磨罐置于行星式球磨機(jī)上進(jìn)行濕式球磨(轉(zhuǎn)速180r/min,球磨時(shí)間為30h),得到球磨漿料;
(2)將球磨漿料置于真空干燥箱中干燥至溶劑殘余量≤1%,取出烘干后的粉末碾碎、過(guò)篩,獲得顆粒尺寸≤300μm的復(fù)合粉末;
(3)取25g復(fù)合粉末裝進(jìn)內(nèi)徑
本實(shí)施例所得氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料經(jīng)阿基米德法測(cè)試后計(jì)算得到相對(duì)密度為98.9%;采用維氏硬度計(jì)并設(shè)定載荷10kg力測(cè)試硬度,硬度為hv1024.52gpa;根據(jù)維氏硬度壓痕,采用壓痕法計(jì)算得到斷裂韌性8.9mpa·m1/2。
本實(shí)施例所得氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料的xrd譜圖如圖1所示。由圖1可以看出,添加了超細(xì)氮化硼多孔纖維后的氧化鋯與wc復(fù)合材料相比未添加多孔纖維得到的復(fù)合材料未觀察到單斜氧化鋯的出現(xiàn)。說(shuō)明了超細(xì)氮化硼多孔纖維具有穩(wěn)定四方氧化鋯,抑制了單斜氧化鋯出現(xiàn)的作用。
實(shí)施例2
本實(shí)施例的一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料,通過(guò)如下方法制備:
步驟(1)~(2)與實(shí)施例1相同;
(3)取25g復(fù)合粉末裝進(jìn)內(nèi)徑
本實(shí)施例所得氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.3%,硬度為hv1023.58.4gpa,斷裂韌性8.4mpa·m1/2。
實(shí)施例3
本實(shí)施例的一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料,通過(guò)如下方法制備:
步驟(1)~(2)與實(shí)施例1相同;
(3)取25g復(fù)合粉末裝進(jìn)內(nèi)徑
本實(shí)施例所得氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.5%,硬度為hv1024.23gpa,斷裂韌性9.06mpa·m1/2。
實(shí)施例4
本實(shí)施例的一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料,通過(guò)如下方法制備:
步驟(1)~(2)與實(shí)施例1相同;
(3)取25g復(fù)合粉末裝進(jìn)內(nèi)徑
本實(shí)施例所得氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.3%,硬度為hv1023.8gpa,斷裂韌性9.15mpa·m1/2。
實(shí)施例5
本實(shí)施例的一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料,通過(guò)如下方法制備:
步驟(1)~(2)與實(shí)施例1相同;
(3)取25g復(fù)合粉末裝進(jìn)內(nèi)徑
本實(shí)施例所得氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.8%,硬度為hv1024.5gpa,斷裂韌性9.06mpa·m1/2。
實(shí)施例6
本實(shí)施例的一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料,通過(guò)如下方法制備:
步驟(1)~(2)與實(shí)施例1相同;
(3)取25g復(fù)合粉末裝進(jìn)內(nèi)徑
本實(shí)施例所得氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.6%,硬度為hv1024.1gpa,斷裂韌性8.95mpa·m1/2。
實(shí)施例7
本實(shí)施例的一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料,通過(guò)如下方法制備:
(1)將93.95gwc(0.2μm,純度>99.9%,徐州捷創(chuàng)新材料科技有限公司),6gzro2(0.1μm,3mol.%y2o3-穩(wěn)定四方晶zro2,純度>99.9%,上海超威納米科技有限公司),0.05g超細(xì)氮化硼多孔纖維(外徑20-60nm,河北工業(yè)大學(xué)氮化硼材料研究中心),倒入250ml硬質(zhì)合金罐中,再加入乙醇作為溶劑(所得混合漿料的體積不超過(guò)球磨罐容積的2/3),得到混合漿料;將裝有混合漿料的球磨罐置于行星式球磨機(jī)上進(jìn)行濕式球磨(轉(zhuǎn)速180r/min,球磨時(shí)間為30h),得到球磨漿料;
步驟(2)~(3)與實(shí)施例1相同。
本實(shí)施例所得氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.2%,硬度為hv1025.5gpa,斷裂韌性8.12mpa·m1/2。
實(shí)施例8
本實(shí)施例的一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料,通過(guò)如下方法制備:
(1)將87.95gwc(0.2μm,純度>99.9%,徐州捷創(chuàng)新材料科技有限公司),12gzro2(0.1μm,3mol.%y2o3-穩(wěn)定四方晶zro2,純度>99.9%,上海超威納米科技有限公司),0.05g超細(xì)氮化硼多孔纖維(外徑20-60nm,河北工業(yè)大學(xué)氮化硼材料研究中心),倒入250ml硬質(zhì)合金罐中,再加入乙醇作為溶劑(所得混合漿料的體積不超過(guò)球磨罐容積的2/3),得到混合漿料;將裝有混合漿料的球磨罐置于行星式球磨機(jī)上進(jìn)行濕式球磨(轉(zhuǎn)速180r/min,球磨時(shí)間為30h),得到球磨漿料;
步驟(2)~(3)與實(shí)施例1相同。
本實(shí)施例所得氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.3%,硬度為hv1022.8gpa,斷裂韌性9.02mpa·m1/2。
實(shí)施例9
本實(shí)施例的一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料,通過(guò)如下方法制備:
(1)將91.4gwc(0.2μm,純度>99.9%,徐州捷創(chuàng)新材料科技有限公司),8.5gzro2(0.1μm,3mol.%y2o3-穩(wěn)定四方晶zro2,純度>99.9%,上海超威納米科技有限公司),0.1g超細(xì)氮化硼多孔纖維(外徑20-60nm,河北工業(yè)大學(xué)氮化硼材料研究中心),倒入250ml硬質(zhì)合金罐中,再加入乙醇作為溶劑(所得混合漿料的體積不超過(guò)球磨罐容積的2/3),得到混合漿料;將裝有混合漿料的球磨罐置于行星式球磨機(jī)上進(jìn)行濕式球磨(轉(zhuǎn)速180r/min,球磨時(shí)間為30h),得到球磨漿料;
步驟(2)~(3)與實(shí)施例1相同。
本實(shí)施例所得氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為99.2%,硬度為hv1023.77gpa,斷裂韌性9.4mpa·m1/2。
實(shí)施例10
本實(shí)施例的一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料,通過(guò)如下方法制備:
(1)將92.49gwc(0.2μm,純度>99.9%,徐州捷創(chuàng)新材料科技有限公司),7.5gzro2(0.1μm,3mol.%y2o3-穩(wěn)定四方晶zro2,純度>99.9%,上海超威納米科技有限公司),0.01g超細(xì)氮化硼多孔纖維(外徑20-60nm,河北工業(yè)大學(xué)氮化硼材料研究中心),倒入250ml硬質(zhì)合金罐中,再加入乙醇作為溶劑(所得混合漿料的體積不超過(guò)球磨罐容積的2/3),得到混合漿料;將裝有混合漿料的球磨罐置于行星式球磨機(jī)上進(jìn)行濕式球磨(轉(zhuǎn)速180r/min,球磨時(shí)間為30h),得到球磨漿料;
步驟(2)~(3)與實(shí)施例1相同。
本實(shí)施例所得氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.1%,硬度為hv1024.3gpa,斷裂韌性8.68mpa·m1/2。
實(shí)施例11
本實(shí)施例的一種氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料,通過(guò)如下方法制備:
(1)將91.85gwc(0.2μm,純度>99.9%,徐州捷創(chuàng)新材料科技有限公司),8gzro2(0.1μm,3mol.%y2o3-穩(wěn)定四方晶zro2,純度>99.9%,上海超威納米科技有限公司),0.15g超細(xì)氮化硼多孔纖維(外徑20-60nm,河北工業(yè)大學(xué)氮化硼材料研究中心),倒入250ml硬質(zhì)合金罐中,再加入乙醇作為溶劑(所得混合漿料的體積不超過(guò)球磨罐容積的2/3),得到混合漿料;將裝有混合漿料的球磨罐置于行星式球磨機(jī)上進(jìn)行濕式球磨(轉(zhuǎn)速180r/min,球磨時(shí)間為30h),得到球磨漿料;
步驟(2)~(3)與實(shí)施例1相同。
本實(shí)施例所得氧化鋯與超細(xì)氮化硼多孔纖維復(fù)合增韌wc復(fù)合材料經(jīng)測(cè)量計(jì)算其相對(duì)密度為98.6%,硬度為hv1023.5gpa,斷裂韌性9.10mpa·m1/2。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式,但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制,其它的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化,均應(yīng)為等效的置換方式,都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。